Tenometry — tenzometrické měřicí převodníky

Tenzometrický snímač — parametrický odporový převodník, který převádí deformaci tuhého tělesa způsobenou mechanickým namáháním na něj působícím na elektrický signál.

Odporový manometr je základna s připojeným citlivým prvkem. Princip měření deformace pomocí tenzometru spočívá v tom, že odpor tenzometru se v průběhu deformace mění. Vliv změny odporu kovového vodiče působením všestranné komprese (hydrostatického tlaku) objevil v roce 1856 Lord Kelvin a v roce 1881 OD Hvolson.

Tenzometrický tenzometr ve své moderní podobě představuje konstrukčně tenzometr, jehož citlivý prvek je vyroben z materiálu citlivého na tah (drát, fólie apod.), upevněný na zkoumaném dílu pojivem (lepidlo, cement). (Obrázek 1). Pro připojení snímacího prvku k elektrickému obvodu má tenzometr vodiče.Některé tenzometry jsou navrženy pro snadnější instalaci, mají podložku umístěnou mezi citlivým prvkem a testovanou částí a také ochranný prvek umístěný nad citlivým prvkem.

Obrázek 1 Schéma tenzometru: 1- citlivý prvek; 2- pojivo; 3- substrát; 4- zkoumaný detail; 5- ochranný prvek; 6- blok pro pájení (svařování); 7-vodičové zapojení

Se všemi různými úkoly řešenými pomocí tenzometrických převodníků lze rozlišit dvě hlavní oblasti jejich použití:

— studium fyzikálních vlastností materiálů, deformací a napětí v dílech a konstrukcích;

— použití tenzometrů k měření mechanických hodnot, které se převádějí na deformaci elastického prvku.

První případ je charakterizován značným počtem bodů měření napětí, širokým rozsahem změn parametrů prostředí a také nemožností kalibrace měřicích kanálů. V tomto případě je chyba měření 2-10%.

V druhém případě jsou senzory kalibrovány podle naměřené hodnoty a chyby měření se pohybují v rozmezí 0,5-0,05%.

Nejvýraznějším příkladem použití tenzometrů je vyvážení. Váhy většiny ruských i zahraničních výrobců jsou vybaveny tenzometry. Siloměrné váhy se používají v různých průmyslových odvětvích: metalurgie neželezných a železných kovů, chemický, stavební, potravinářský a další průmysl.

Princip činnosti elektronických vah je redukován na měření gravitační síly působící na siloměr převáděním výsledných změn, jako je deformace, na proporcionální výstupní elektrický signál.

Široké použití tenzorových rezistorů je vysvětleno řadou jejich výhod:

— malé rozměry a hmotnost;

— nízká setrvačnost, která umožňuje použití tenzometrů pro statická i dynamická měření;

— mít lineární charakteristiku;

— umožnit měření na dálku a na mnoha místech;

— způsob jejich instalace na zkoumanou část nevyžaduje složitá zařízení a nezkresluje deformační pole zkoumané části.

A jejich nevýhodu, kterou je teplotní citlivost, lze ve většině případů kompenzovat.

Typy měničů a jejich konstrukční vlastnosti

Činnost tenzometrů je založena na jevu deformačního efektu, který spočívá ve změně aktivního odporu drátů při jejich mechanické deformaci. Charakteristikou deformačního účinku materiálu je koeficient relativní deformační citlivosti K, definovaný jako poměr změny odporu ke změně délky vodiče:

k = er / el

kde er = dr / r — relativní změna odporu vodiče; el = dl / l — relativní změna délky drátu.

Při deformaci pevných těles je změna jejich délky spojena se změnou objemu a mění se i jejich vlastnosti, zejména hodnota odporu. Proto by měla být hodnota koeficientu citlivosti v obecném případě vyjádřena jako

K = (1 + 2 μ) + m

Zde veličina (1 + 2μ) charakterizuje změnu odporu spojenou se změnou geometrických rozměrů (délky a průřezu) vodiče a — změnu odporu materiálu spojenou se změnou jeho fyzikálních vlastností. vlastnosti.

Pokud jsou při výrobě tenzoru použity polovodičové materiály, je citlivost dána především změnou vlastností materiálu mřížky při její deformaci a K »m a může se pro různé materiály lišit od 40 do 200.

Všechny stávající převodníky lze rozdělit do tří hlavních typů:

- drát;

— fólie;

- film.

Drátové telemetry se používají v technice měření neelektrických veličin ve dvou směrech.

Prvním směrem je využití deformačního účinku vodiče ve stavu objemové komprese, kdy přirozenou vstupní hodnotou převodníku je tlak okolního plynu nebo kapaliny. V tomto případě je převodníkem cívka drátu (obvykle manganin) umístěná v oblasti měřeného tlaku (kapaliny nebo plynu). Výstupní hodnotou převodníku je změna jeho činného odporu.

Druhým směrem je využití napínacího účinku napínacího drátu z materiálu citlivého na tah. Snímače napětí se v tomto případě používají ve formě "volných" převodníků a ve formě lepených.

"Volné" tenzometry jsou vyrobeny ve formě jednoho nebo řady drátů, upevněných na koncích mezi pohyblivou a nepohyblivou částí a zpravidla současně plní roli elastického prvku. Přirozenou vstupní hodnotou takových převodníků je velmi malý pohyb pohyblivé části.

Zařízení nejběžnějšího typu vázaného drátěného tenzometru je na obrázku 2. Tenký drát o průměru 0,02-0,05 mm, uložený klikatě, je nalepen na pruh tenké papírové nebo lakové fólie. Ke koncům drátu jsou připojeny olověné měděné dráty. Horní část převodníku je pokryta vrstvou laku a někdy utěsněna papírem nebo plstí.

Převodník se obvykle instaluje tak, že jeho nejdelší strana je orientována ve směru měřené síly. Takový převodník přilepený ke zkušebnímu tělesu vnímá deformace jeho povrchové vrstvy. Přirozenou vstupní hodnotou nalepeného převodníku je tedy deformace povrchové vrstvy dílu, ke kterému je přilepen, a výstupem je změna odporu převodníku úměrná této deformaci. Obecně platí, že lepené senzory se používají mnohem častěji než nelepené.

Obrázek 2 - vázaný tenzometr: 1 - tenzometrický drát; 2- lepidlo nebo cement; 3- celofánový nebo papírový podklad; 4-vodičové dráty

Měřicí základna převodníku je délka části, kterou zabírá drát. Nejčastěji používané převodníky jsou 5-20mm báze s odporem 30-500 ohmů.

Kromě nejběžnějšího provedení obrysového tenzometru existují i ​​další. Pokud je potřeba zmenšit měřící základnu převodníku (na 3 — 1 mm), provádí se to metodou navíjení, která spočívá v navinutí spirály z drátu citlivého na zatížení na trn kruhového průřezu na trubku o tenký papír. Tato trubka se poté slepí, sejme z trnu, zploští a na konce drátu se připevní dráty.

Když je potřeba získat velký proud z obvodu s termokonvertorem, často používají "Výkonné" tenzometry s vinutým drátem... Skládají se z velkého množství (až 30 — 50) vodičů zapojených paralelně, liší se ve velkých velikostech (délka základny 150 — 200 mm) a umožňují výrazné zvýšení proudu procházejícího převodníkem (obrázek 3).

Nákres 3- Tenometr s nízkým odporem ("výkonný"): 1 — tenzometrický drát; 2- lepidlo nebo cement; 3- celofánový nebo papírový podklad; 4pinový drát

Drátové sondy mají malou kontaktní plochu se vzorkem (substrátem), což snižuje svodové proudy při vysokých teplotách a vede k vyššímu izolačnímu napětí mezi citlivým prvkem a vzorkem.

Fóliové snímače zatížení jsou nejoblíbenější verzí adhezivních snímačů zatížení. Fóliové měniče jsou pás fólie o tloušťce 4-12 mikronů, na kterém je část kovu vybrána leptáním takovým způsobem, že zbytek tvoří olověnou mřížku znázorněnou na obrázku 4.

Při výrobě takové mřížky lze předvídat jakýkoli vzor mřížky, což je značná výhoda fóliových tenzometrů. Na obrázku 4 a ukazuje vzhled fóliového snímače navrženého pro měření lineárních stavů napětí, na Obr. 4, c — fóliový snímač nalepený na hřídeli pro měření krouticího momentu a na obr. 4, b — přilepené k membráně.

Nákres 4- Fóliové měniče: 1- nastavovací smyčky; 2- ohyby citlivé na tahové síly membrány; 3- rotace citlivé na tlakové síly membrány

Závažnou výhodou fóliových konvertorů je možnost zvětšení průřezu konců konvertoru; svařování (nebo pájení) drátů lze v tomto případě provést mnohem spolehlivěji než u drátových převodníků.

Fóliové deformátory oproti drátovým mají vyšší poměr povrchu citlivého prvku k ploše průřezu (citlivost) a jsou stabilnější při kritických teplotách a trvalém zatížení. Velký povrch a malý průřez také zajišťují dobrý teplotní kontakt mezi senzorem a vzorkem, což snižuje samozahřívání senzoru.

Pro výrobu fóliových tenzometrů se používají stejné kovy jako pro telenometry (konstantan, nichrom, slitina nikl-železo atd.), dále se používají i další materiály, např. slitina titanu a hliníku 48T-2, která měří namáhání až 12 %, stejně jako řada polovodičových materiálů.

Filmové tenzory

V posledních letech se objevil další způsob hromadné výroby lepených odporových kmenů, který spočívá ve vakuové sublimaci materiálu citlivého na namáhání a jeho následné kondenzaci na substrátu nastříkaném přímo na obrobek. Takové převodníky se nazývají filmové převodníky. Malá tloušťka takových tenzometrů (15-30 mikronů) poskytuje významnou výhodu při měření deformací v dynamickém režimu za vysokých teplot, kde jsou měření deformací specializovanou oblastí výzkumu.

Řada filmových tenzometrů na bázi bismutu, titanu, křemíku nebo germania byla vyrobena ve formě jednoho vodivého pásku (obrázek 5).Takové převodníky nemají nevýhodu snížení relativní citlivosti převodníku ve srovnání s citlivostí materiálu, ze kterého je převodník vyroben.

Obrázek 5 - Tenzometrický film: 1 - tenzometrický film; 2- laková fólie; 3kolíkový drát

Tenzometrický koeficient převodníku na bázi kovové fólie je 2-4 a jeho odpor se pohybuje od 100 do 1000 ohmů. Převodníky vyrobené na bázi polovodičového filmu mají koeficient řádově 50-200 a jsou tedy citlivější na aplikované napětí. V tomto případě není potřeba používat zesilovací obvody, protože výstupní napětí polovodičového můstku napětí-odpor je přibližně 1 V.

Bohužel odpor polovodičového měniče se mění s použitým napětím a je v podstatě nelineární v celém rozsahu napětí a je také vysoce závislý na teplotě. I když je tedy při práci s deformátorem kovového filmu vyžadován zesilovač, linearita je velmi vysoká a teplotní efekt lze snadno kompenzovat.